Физика

Интегральные источники одиночных фотонов стали в десять раз ярче

Интегральные источники одиночных фотонов стали в десять раз ярче

Zhaohui Ma et al. / Physical Review Letters, 2020

Физики создали интегральный источник одиночных фотонов, яркость которого в десять раз выше, чем у лучших предшественников. При маленьких мощностях накачки разработанный источник способен генерировать пары фотонов с мегагерцовыми частотами. Это может пригодиться для масштабирования оптических вычислений, где необходимо объединить все оптические элементы на чипе, по аналогии с электрическими схемами Работа принята для публикации в Physical Review Letters.

Фотонные квантовые вычислители уже превзошли классические в задаче бозонного сэмплинга на 100 кубитах. Следующий закономерный шаг в развитии оптических технологий — увеличение числа кубитов, уменьшение и упрощение оптической схемы для решения сложных прикладных задач.

Оптическая установка для квантовых вычислений состоит из источника одиночных фотонов, основной части, которая изменяет состояния фотонов, и детекторов. Вид основной части зависит от кодировки кубитов: например, если вся информация содержится в поляризации фотонов, то их состояния можно менять с помощью поляризационных пластинок. В последнее время ученые используют пространственное кодирование на чипе, которое заключается в следующем: на каждый кубит приходится два пути (волновода) в чипе, фотон может идти по одному пути — тогда он кодирует 0, или по другому — и тогда он кодирует 1. Оба пути одного фотона могут переплетаться между собой и такое переплетение образует светоделитель. Пути от разных фотонов тоже могут пересекаться, позволяя им взаимодействовать друг с другом.

Чипы-интерферометры для пространсвенного кодирования можно изготавливать литографическими методами на подложках из кремния, что очень удобно из-за освоенности полупроводниковой технологии. Генерация пар фотонов на этих же чипах позволила бы сделать фотонные процессоры еще миниатюрнее и избежать потерь на вводе излучения в чип. Поэтому ученые активно занимаются разработкой интегральных источников одиночных фотонов и пытаются вывести их на один уровень с уже существующими аналогами.

Один из важных параметров однофотонных источников — яркость. В случае использования нелинейных кристаллов в качестве источников, яркость показывает с какой частотой он испускает пары фотонов при определенной мощности. В результате накачки нелинейного кристалла (в данном случае ниобата лития) происходит спонтанное параметрическое рассеяние и из кристалла начинают вылетать запутанные пары фотонов, которые удовлетворяют условию фазового синхронизма. Кроме того, из-за того, что процесс генерации спонтанный, невозможно определить точные моменты, в которые рождаются фотоны. Для того, чтобы понимать, что на выходе источника есть фотон, детектируют парный ему фотон, который родился вместе с этим фотонов в одно и то же время (этого близнеца называются объявленным (heralded) фотоном).

Схема кольцевого резонатора и его изображения в растровом электронном микроскопе

Zhaohui Ma et al. / Physical Review Letters, 2020

Группа исследователей из Технологического института Стивенса под руководством Юй-Пин Хуаня (Yu-Ping Huang) смогла на порядок увеличить яркость источника одиночных фотонов на чипе. Ученые изготовили периодически поляризованный кристалл из ниобата лития с высоким коэффициентом нелинейности в виде кольцевого резонатора и накачивали его на длине волны 777,3 нанометра для генерации одиночных фотонов в невырожденном режиме. На подложку из кремния с двухмикрометровым слоем диоксида авторы наносили концентрический периодически поляризованный слой ниобата лития, в котором литографически рисовали кольцевой резонатор и после травления получали нужную структуру.

Для оценки коэффициента нелинейности кристалла, от которого зависит яркость источника, авторы накачивали кристалл и налюдали за генерацией второй гармоники. В этом процессе падающие фотоны с одинаковыми частотами объединяются внутри кристалла для генерации фотонов с удвоенной частотой. Авторы использовали инфракрасный лазер на длине волны 1554,6 нанометров в качестве накачки и получили эффективность генерации второй гармоники около 20 процентов (для случайного процесса это очень большое значение) при мощности всего 350 микроватт.

Разные схемы экспериментов: (a) для измерения скорости генерации, (b) для измерения корреляционной функции второго порядка

Zhaohui Ma et al. / Physical Review Letters, 2020

После этого ученые накачивали кристалл на длине волны 777,3 нанометра для генерации пар запутанных фотонов. Они тщательно подбирали параметры накачки (именно поэтому длины волн в экспериментах указаны очень точно), температуру кристалла и использовали оптические фильтры после него для того, чтобы увеличить вероятность рождения и детектирования одиночных фотонов. В итоге полученная яркость источника оказалась меньше предсказанной теоретической всего в 2,6 раза, что связано с большой чувствительность процесса к малейшим изменениям подобранных параметров. Кажется, что чем сильнее накачивать кристалл, тем больше фотонов удастся сгенерировать. Однако, для мощности накачки кристалла существует оптимальное значение и оно определяется отношением парных событий (совпадений на детекторах) к случайным. Дело в том, что при большой мощности накачки, становятся видимыми нелинейные эффекты высших порядков и помимо парным совпадений детекторы регистрируют и многофотонные. Поэтому физики измеряли это соотношение и подобрали мощность, при которой оно максимально.

Последним этапом исследования стала проверка работы источника в режиме с объявленным фотоном. В этом эксперименте они проверяли, что не объявленные фотоны действительно двигаются по одному. Для оценки качества однофотонного источника используют корреляционную функцию второго порядка. Авторы использовали один фотон как объявленный, а на пути другого ставили светоделитель и два детектора в каждом из его плеч. Один фотон не может вызвать одновременный клик обоих детекторов. При изменении задержки между фотонами иногда возможны случаи, когда они приходят на светоделитель вместе и детекторы регистрируют совпадения. Зависимость таких совпадений от временной задержки и описывают корреляционная функция второго порядка. В идеальном случае, минимум этот функции должен быть равен нулю. В работе ученым удалось добиться значения 0.008 в минимуме при нулевой задержке.

Сравнение ключевых параметров разработанного источника с существующими

Zhaohui Ma et al. / Physical Review Letters, 2020

Сравнение разработанного источника с другими интегральными аналогами показывает его превосходство в яркости без потери в других параметрах. Его интеграция на чип с другими оптическими элементами позволит создавать быстрые, реконфигурируемые и многофункциональные квантовые устройства.

Разработка других частей квантового компьютера в интегральном исполнении тоже интересует ученых. Китайские физики уже использовали интегральный чип для реализации бозонного сэмплинга, а российские физики разрабатывают фотонный чип для 50-кубитного квантового компьютера.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть